Mit „Computational Intelligence“ den Energieverbrauch der Kommunen gesenkt

Kläranlagen sind in Kommunen ohne eigene Industriebetriebe die größten Energieverbraucher. Ihren Strombedarf zu reduzieren, ohne die Reinigungsleistung einzuschränken, das war das Ziel von Dr. Peter Kern vom Campus Gummersbach der TH Köln.

In seiner Promotion griff er dazu auf Methoden der „Computational Intelligence“ (CI Methods) zurück. Dabei handelt es sich evolutionäre Problemlösungsstrategien, die man für mathematische Fragestellungen nutzen kann. Solche evolutionären Verfahren ähneln der Wirkungsweise der Mutation, die über kleine Veränderungen die Eigenschaften eines Tieres oder eine Pflanze immer weiter verbessert, bis das Ergebnis sein Ziel optimal erreicht.

Dr. Kern entwickelte in seiner Arbeit virtuelle Sensoren zur Abschätzung kritischer Werte beim Zulauf der Kläranlage, wie z.B. Ammonium oder dem chemischen Sauerstoffbedarf. „Virtuelle Sensoren sind mathematische Programme, die kritische Werte auf Basis anderer gemessener Größen wie der Zulaufmenge oder Trübung abschätzen, ohne dass eine echte Messung nötig ist. Mit solchen Programmen können Regler effektiver betrieben werden“, erklärt der Ingenieur seine Entwicklungen. Außerdem definierte er eine Methode zur Darstellung von Prozesszuständen mit Hilfe sogenannter Neuronaler Netze (CI-Methode), da man auf den Prozesszustand besser und schneller reagieren kann, wenn man ihn genauer kennt. Auf Basis der virtuellen Sensoren sowie der erfassten Prozesszustände entwickelte Dr. Kern im Rahmen seiner Promotion außerdem einen zustandsbasierten Regler. Seine Ergebnisse zeigen, dass der Energieverbrauch der Kläranlagen signifikant, nämlich um mehr als 20 Prozent, reduziert werden konnte. Mit Hilfe eines solchen Reglers haben Kommunen eine gute Chance, den Verbrauch ihrer größten „Energiefresser“ zu verringern.

Promotionsfeier der National University of Ireland Maynooth
v. l.: Dr. Peter Kern und Prof. Ronan Farrell, Department for Electronic Engineering, auf der Promotionsfeier der National University of Ireland Maynooth (Bild: TH Köln)

Das Thema der Promotion „Computational Intelligence Techniques for Control and Optimization of Wastewater Treatment Plants“ entwickelte Peter Kern gemeinsam mit Prof. Dr. Michael Bongards, in dessen Arbeitsgruppe „Gummersbach Environmental Computing Center“ er als wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig ist. Aufgrund bereits bestehender, guter Kontakte bot sich die irische Elite-Universität National University of Ireland (NUI) Maynooth an, mit der die TH Köln eine Promotionskooperation verbindet. „Damit habe ich es mir nicht leicht gemacht: Ein Großteil der Kommunikation mit meinem Doktorvater Prof. Dr. Seán McLoone musste via Skype stattfinden und nicht nur er, sondern auch die Uni Maynooth hat hohe Ansprüche, denen ich sowohl in der schriftlichen Arbeit als auch der mündlichen Prüfung auf Englisch gerecht werden musste“, beschreibt Kern die Herausforderungen seiner externen Promotion. Eine wichtige Hilfe war ihm dabei die fachliche Unterstützung durch das Forschungsinstitut STEPs der TH Köln. 

In seiner mündlichen Prüfung im Juni 2016 wurde er zweieinhalb Stunden lang von zwei  Prüfern befragt. Der externe Beurteiler war Prof. Dr. Gustaf Olssen von der schwedischen Universität Lund, eine international anerkannten Koryphäe auf diesem Gebiet, der interne  Prüfer war Dr. Robert Lawlor von der Maynooth University, Department for Electronic Engineering.  „Es war eine wirklich harte Zeit, aber auch eine Erfahrung, die ich in der Form hier in Deutschland nicht gemacht hätte“, fasst Kern seine Erfahrungen zusammen. „Eine Entscheidung, die mich nicht nur wissenschaftlich, sondern auch persönlich weiter gebracht hat.“

Die National University of Ireland Maynooth
Die National University of Ireland Maynooth (Bild: TH Köln)

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